智能化开关柜浅析

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1、www.E E优化设计 Optimization Design48潘永伟 赵宁 / 海南威特电气集团有限公司智能化开关柜浅析对 智能化开关柜的构成， 智能化单元的功能及其与一次系统的连接， 智能化开关柜电气设计原则进行了描述。1 引言在 35 kV 及以下的中低压配电网中， 开关柜是开关设备的主要工作形态之一， 主要由断路器、 各类开关、 熔断器、 互感器、 二次控制保护装置、 母线、 计量仪表和隔离开关等部分构成。 但随着对用电质量要求的提高， 传统的采用电磁式机械结构的二次控制保护元件已无法适应现代电网发展的需要， 而引进计算机技术将其作为检测、 计量、 保护的核心， 并与断路器配合构成的

2、智能化开关柜将受到用户的欢迎与应用， 其计量、 保护、 控制、 通信以及记录等功能均可通过智能技术、 数字显示技术等可靠地运用起来。2 智能化技术智能化技术主要体现在以下几个方面。2.1 采用智能化信息处理系统对开关柜本体进行故障前兆的诊断及监视(1) 母线及柜内温度、 在线检测及越限监视。(2) 断路器分、 合闸速度等工作特性在线监视。(3) 操动机构的机械性能在线监视。(4) 绝缘水平的在线检测及报警。2.2 智能化的防误操作系统(1) 具有各种操作的提示及预演。(2) 对操作的校核及误操作的闭锁。(3) 禁止操作提示及操作条件提示。2.3 二次回路智能化功能测量、 信号、 保护、 控制和

3、运动的智能化。2.4 电网故障的追忆录波、 登录、 仿真重演和故障记录， 提供分析数据。2.5 故障分析专家系统事故的定位、 定量分析， 确定发生的原因及解决办法， 当前运行状况的专家评估及运行维护指导。 智能化开关柜技术目前尚属研究开发阶段， 有些技术难点尚未很好解决， 特别是开关柜本体的在线检测的传感技术有一些难度。 目前能达到应用水平的智能化装置， 主要是开关柜二次功能的微机化替代常规的二次设备。3 数字继电器智能化开关柜与计算机技术、 数据处理技术、控制理论、 传感器技术、 通信网络技术以及电力电子技术等密切相关， 目前主要指用数字继电器 ( 或称为分布式自动化装置 ) 取代传统二次回

4、路并配备相应管理系统系统软件的开关设备， 故数字继电器功能就直接关系到开关柜的智能化程度。目前市场上有各种品牌的用于开关柜的二次功能微机化的产品， 其原理、 功能都较相似， 其共同点是可以完全替代常规二次设备。 它简化了二次结线， 提高了安全可靠性能， 易维护， 功能强， 性能优越， 并都可以具有通信接口， 为实现电站综合自动化无人值班提供了基础， 但该装置的名称还没有统一， 有的称为数字继电器， 有的称为分布式自动化装置等等， 我们暂定为数字继电器来阐述。3.1 数字继电器的结构数字继电器一般都以 8 位或 16 位 MCU 或 DSP为核心， 加上模拟量输入通道， 开关量输入量通道，脉冲量

5、输入通道， 开关量输出通道。 包括电流、 电电气制造 . 2007年第 11 期 . Optimization Design49压变换器以及液晶显示屏幕操作键、 通信接口及电源等。(1) 模拟量输入与电流、 电压变频组成电压、 电流的采集通道， 直接与一次 CT(0 5 A) 及 PT(0 100V) 接口。 电流电压变频都采用专用高性能的小 CT 、小 PT ， 强电的电流 0 5 A 、 电压 0 100 V 通过小CT 、 小 PT 转换成 0 5 V 电压信号 ( 或 4 20 mA 电流信号 ) ， 通过低通滤波器、 采样保持器， 送入 AD转换， 采样用频率跟踪， 完全交流采样技术

6、， 采用半波傅氏或全波傅氏算法， 采样频率一般每周 12点， 算出电压、 电流的相位角、 幅值及频率， 派生计算出 P 、 Q 、 cos 等参数提供运行参数测量时及检出故障启动及保护功能时采用。(2) 开关量输入。 采用光电隔离等抗干扰技术，来监视开关柜各种位置信号及断路器状态信号、 操动机构储能信号及操作闭锁信号。(3) 脉冲量输入。 采用光电隔离等干扰技术， 供脉冲电能表电度计算计量用。(4) 开关量输出。 采用光电隔离技术供断路器分、 合闸操作用， 并具有控制路断线操作、 回路电源失电信号的发生功能。(5) 液晶显示及操作键作为人机界面， 查询及设定各种运行参数并作为报警显示用。(6)

7、 通信接口。 一般具有 RS232 、 RS485/422 标准通信接口， 供通信联网用。(7) 电源一般采用 AC220 V 或 DC110/220 V 输入。3.2 数字继电器的功能(1) 测量功能 ( 精度可达 0.5% ) 。 母线电压 ： U a 、U b 、 U c 、 U AB 、 U BC ； 线路电流 ： I a 、 I b 、 I c ； 有功功率 P 、 无功功率 Q 、 功率因数 cos 、 电网频率 f ；有功电能计量、 无功电能计量。(2) 保护功能。 馈线 ： 速断、 过电流、 接地、 重合闸以及低周 ； 电容器 ： 速断、 过电流、 接地、 过电压、 欠电压、

8、差压、 不平衡电压和不平衡电流。(3) 信号 ： 断路器分、 合闸位置 ； 小车工作位置 ；小车试验位置 ； 储能状态 ： 接地开关分、 合位置 ；闭锁信号、 重合闸闭锁。 液压 / 气压 ； SF 6 气压 ； 闭锁控制回路失电及断线。 各种保护动作、 时间和种类。(4) 控制。 断路器的分合闸控制。(5) 故障录波。 故障前、 后 2 s 、 100 周 ( 可选 ) 各相电压、 电流线电压， 零序电流波形。 并具有读出功能， 正确读出每一时刻的幅值及相互关系。(6) 远动。 通过通信网络， 实现 “遥测、 遥信、遥控， 遥调” 四遥功能。3.3 强电接口(1) 电流回路。 一般测量保护分

9、开， 测量回路接入测量 CT ， 保护回路接入保护 CT ， 电流回路需经过试验端子接线。(2) 电压回路。 一般与三相五柱式电压互感器连接， 从 PT 柜引出三相电压， 经熔断器接入数字继电器， 同理开口三角电压也是这样。(3) 信号回路 。 一般可选 DC 24 V 或 DC 220 V ，直接从开关柜辅助接点接入， 信号电源一般由数字继电器供给。(4) 控制回路。 直接从数字继电器分、 合闸端子引出分别接入分、 合闸线圈及公共接地点。(5) 数字装置电源。 一般从 “ +KM 、 KM(DC220 V) ” 引来， 通过低压空气开关连接， 空气开关作为本间隔二次控制操作电源开关。4 智能

10、化开关柜电气设计原则4.1 一次系统设计原则(1) 智能化开关柜采用计算机监测与控制后对一次系统接线没有影响， 一次系统接线方式及供电方案仍按有关要求与规定进行设计。(2) 智能化开关柜采用计算机监测与控制后， 应发挥计算机的图形显示功能， 模拟盘可以简化或取消。(3) 智能化开关柜采用计算机监测与控制后， 可以实现无人或少人值班， 值班室面积可以减小， 分散值班可以集中于一处值班。4.2 二次系统设计原则4.2.1 二次系统设计方案第一方案 ： 开关柜内的继电保护， 计量， 信号与控制回路设计不变， 值班室的继电保护屏与中央信号系统 ( 信号屏， 计量屏与控制屏 ) 保持原设计不变， 再设计

11、一套重复的计量、 信号与控制回路进入计算机监测与控制系统。第二方案 ： 开关柜内的继电保护、 计量、 信号与控制回路设计不变， 值班室的中央信号系统 ( 信号屏、 计量屏与控制量 ) 取消， 集中保护的继电保护屏www.E E优化设计 Optimization Design50应保留， 再将计量， 信号与控制回路进入计算机监测与控制系统。第三方案 ： 开关柜内的继电保护、 计量、 信号与控制回路设计不变， 值班室的中央信号系统 ( 信号屏， 计量屏与控制屏 ) 只包括电源进线与母线联络开关柜， 所有出线开关柜均不进入中央信号系统。 电源进线， 母线联络开关柜及所有出线开关柜的中央信号系统 (

12、信号、 计量与控制 ) 全部进入计算机监测与控制系统。4.2.2 二次系统设计原则变配电站采用计算机监测与控制后值班室原有的中央信号系统 ( 信号屏， 计量屏与控制屏 ) 应取消，采用集中保护的继电保护屏应保留， 应优先选用第二方案。对于有特殊要求的单位或地区， 可以选用第三方案， 第一方案一般不宜选用。5 电气设计5.1 一次系统电气设计(1) 一次系统的电气主接线方式按原设计不变，在单线系统图的设备型号说明中应注明采用计算机监测与控制系统后所增加的设备数量与型号， 如电量变送器， 电力监控器等。(2) 对于需要通过计算机监测与控制系统进行远方遥控操作的开关， 一定要选用能进行远方合分闸的自

13、动开关。(3) 开关运行状态要进入计算机监测与控制系统的开关， 一般要有一对独立的常开触点引入计算机监测与控制系统。 低压自动开关的型号设计时一定要注意满足这一要求， 多选一对常开辅助触点。5.2 二次系统设计5.2.1 继电保护设计35 kV 及以上供电系统可以考虑选用微机保护，而且应优先考虑采用变配电站自动化单元。10 kV 供配电系统可以考虑选用微机保护， 也可以选用常规继电器型继电保护。 选用常规继电器型继电保护时可以再设计只有监控功能的变配电站自动化单元。5.2.2 测量回路设计需要进入计算机监测与控制系统的测量参数由设计者根据有关规定与用户实际需要来确定。需要进入计算机监测与控制系

14、统的各种测量参数， 首先经过电流互感器与电压互感器变为符合要求的交流采样信号。电量变送器的种类与电工测量仪表完全对应。有什么类型的电工测量仪表， 就有什么样类型的电量变送器。 即有电流变送器 ( 单相与三相 ) ， 电压变送器 ( 单相与三相 ) ， 有功功率变送器 ( 三相三线制与三相四线制 ) ， 无功功率变送器 ( 三相三线制与三相四线制 ) ， 有功 / 无功功率变送器， 功率因数变送器( 三相三线制与三相四线制 ) ， 有功电能变送器 ( 三相三线制与三相四线制 ) ， 无功电能变送器 ( 三相三线制与三相四线制 ) ， 频率变送器等。电量变送器的一次接线与电工测量仪表完全相同。 电

15、流回路串联在电流互感器回路中， 电压回路并联在电压互感器电压回路中。 设计时应将电量变送器统一布置于电流互感器电流回路的最末端， 避免与电工测量仪表相互交叉布置。电压变送器的测量输入电压最大值应提高20% ， 高压选交流 120 V ， 低压选交流 250 V 或 420V ， 各种电量变送器的输出一般选直流 0 5 V 或4 20 mA 。采用变配电站综合自动化系统之后， 其监控单元均为交流采样， 直接从电流或电压互感器取。 5 A 或 0 100 V 测量信号， 低压直接取 220 V 或380 V 信号。 不再需要各种电量变送器， 开关柜上各种测量仪表可以取消。电能计量应选用带脉冲输出的

16、电能表。 其型号及一次接线与原电能表相同， 只在备注中说明带脉冲输出， 并注明与计算机监测与控制系统相匹配的直流电源电压， 设计时应优先选用自带供电电源的有源型， 输出为隔离型的脉冲电能表。 计量柜电能表一般不进入计算机监测与控制系统， 所以应在进线开关柜内增加有功与无功脉冲电能表各一块， 作为内部统计用电量使用。5.2.3 信号回路设计所有需要计算机监测与控制系统进行监视的开关状态， 均应有一对常开接点引到计算机监测与控制系统。所有常开触点可以共用一个信号地线， 但不能与交流系统地线相连接。所有信号继电器均应有一对单独的常开触点引电气制造 . 2007年第 11 期 . Optimization Design51到计算机监测与控制系统。 有中央信号系统时， 信号继电器应再有一对常开触点引到中央信号系统，以下两种常开触点应分开， 由于电压等级不同， 不能共用地线。5.2